Lösungen für 3D-Scanning

Wie Artec 3D die Ukraine unterstützt

3D-Scannen eines luxemburgischen Luftrettungshubschraubers mit Artec Leo und Ray

Herausforderung: 3D-Scannen eines großen Luftrettungshubschraubers – von den Kufen bis zu den Rotorblättern und jedem einzelnen Außendetail dazwischen – mit einem auf einem Stativ montierten Langstrecken-Laserscanner und einem professionellen 3D-Handscanner. Anschließend sollten die Scans in ein umfassendes 3D-Modell des Flugzeugs umgewandelt werden.

Lösung: Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio

Ergebnis: Der gesamte 3D-Scan wurde vor Ort in einem Flugzeughangar durchgeführt und dauerte mit beiden Scannern insgesamt weniger als 11 Stunden. In den darauffolgenden Tagen wurden die Scans in ein außergewöhnlich naturgetreues 3D-Modell des Hubschraubers umgewandelt. Die verarbeiteten Daten standen anschließend für eine Vielzahl von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt bereit – von Reverse Engineering bis hin zu Inspektionen, aerodynamischen Analysen und noch vielem mehr.

Warum Artec 3D? Dank der Mobilität und der Echtzeitanzeige auf dem Bildschirm von Artec Leo in Verbindung mit dem großen Scanbereich von Artec Ray konnte das Flugzeug leicht und genau in seiner Gesamtheit erfasst werden, bevor ein in Artec Studio realistisches 3D-Modell verarbeitet und erstellt wurde.

Von dem Moment an, in dem ein Hilferuf über die nationale Notrufzentrale 112 eingeht, schweben die McDonnell-Douglas MD-902 Explorers der Luxembourg Air Rescue (LAR) durch den Himmel und könne jeden Ort im Land innerhalb von 10 Minuten oder weniger erreichen. Seit ihrer Einführung im Jahr 1996 hat die Hubschrauberflotte der gemeinnützigen Organisation mehr als 30.000 Einsätze geflogen.

Abgesehen von speziellen humanitären Einsätzen werden die sechs MD-902-Hubschrauber der LAR häufig für Notfälle sowie für den Transport von Intensivpatienten zwischen Krankenhäusern in Luxemburg und in der Großregion eingesetzt.

Das Einsatzteam der luxemburgischen Luftrettung bereitet einen Patienten für den medizinischen Transport vor

Ein hochmoderner Hubschrauber mit vielfältigen Möglichkeiten

Heute wird die MD-902 weltweit in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, darunter Such- und Rettungsdienste, Polizei, Militär und leichte Nutzfahrzeuge. Entsprechend kann das Fluggerät mit unterschiedlichen Konfigurationen und Ausrüstungen ausgestattet werden, sowohl im Cockpit und in der Kabine als auch außen am Rumpf.

Das Cockpit kann mit speziellen Avioniksystemen, taktischen Anzeigen und Armaturenbrettern ausgestattet werden. Für den militärischen Einsatz kann die MD-902 mit in den Türen montierten Gatling-Kanonen, 70-mm-Raketenbehältern und einem FLIR-Sensor unter dem Bug modifiziert werden.

Als Konzeptnachweis für den Einsatz der 3D-Scantechnologie zur Erfassung großer Objekte wie Hubschrauber und Starrflügler für Anwendungen wie Reverse Engineering, Inspektion und aerodynamische Strömungssimulationen (CFD) tat sich die Luxemburger Luftrettung mit dem ebenfalls in Luxemburg ansässigen Unternehmen Artec 3D zusammen, um einen McDonnell-Douglas MD-902 Explorer zu scannen. Der Hubschrauber wurde mit zwei der neuesten professionellen 3D-Scanner gescannt: Artec Leo und Artec Ray.

Scannen des MD-902 mit Artec Ray und Artec Leo

Ein Tag, zwei 3D-Scanner

Artec Leo, ein einzigartiger, nutzerfreundlicher 3D-Scanner mit integrierter Verarbeitung und rückseitigem Touchscreen, ermöglicht es den Nutzern, mittelgroße bis große Objekte zu scannen, ohne dass Kabel, ein Akkusatz oder ein angeschlossener Laptop erforderlich sind.

Artec Leo

Mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm ist Leo in der Lage, selbst komplexe Oberflächengeometrien zu erfassen und mit der Texturkamera des Scanners das gesamte Farbspektrum abzubilden. Mit Leo wurde die MD-902 in ihrer Gesamtheit gescannt, vom Heck bis zur Nase.

Der andere für das Projekt verwendete Scanner, Artec Ray, ist ein auf einem Stativ montierter 3D-Scanner mit großer Reichweite für die Erfassung großer Objekte.

Artec Ray

Mit einer metrologischen Genauigkeit im Submillimeterbereich und einem Arbeitsabstand von zwei Metern bis hin zu 110 Metern kann Ray alles Mögliche scannen, vom Auto über einen Bus bis hin zu einer riesigen Yacht, und ganz zu schweigen von der Erfassung ganzer Bereiche und Szenerien, wie etwa Verkehrsunfallsorte, Tatorte und vieles mehr.

Scannen des MD-902 von unten nach oben

Als es daran ging, den McDonnell-Douglas MD-902 der Luxemburger Luftrettung zu scannen, wurde Artec Ray hauptsächlich zu Ausrichtungszwecken eingesetzt. Insgesamt wurden 16 Scans aus verschiedenen Positionen um den Hubschrauber herum aufgenommen, acht von unten und acht von oben. Diese Phase des Scannens dauerte von Anfang bis Ende weniger als drei Stunden.

Artec Leo bei der Erfassung des Rumpfes der MD-902

Als Nächstes war Leo an der Reihe und brauchte etwa acht Stunden, um 26 sich überlappende, submillimetergenaue Scans des 10,39 m (34 Fuß) langen Hubschrauberrumpfs zu erstellen und dabei selbst die kleinsten Details zu erfassen.

Scannen einer Seite des MD-902 mit Artec Leo

Um eine schnellere Ausrichtung und globale Registrierung der Scans während der Verarbeitungsphase zu ermöglichen, wurden mit einem selbstverdampfendem 3D-Scanspray zusätzliche Texturmerkmale aufgetragen.

Herausforderungen auf dem Weg zum Ziel

Zu Beginn war das Scannen der Unterseite der MD-902 mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Da es keine Hebebühne gab, um den Hubschrauber vom Boden des Hangars zu heben, musste man unter den Rumpf kriechen und den Scan „vom Boden aus“ durchführen.

Scannen des unteren Teils des Rumpfes der MD-902 mit dem Artec Leo

Bei der Arbeit auf so engem Raum war es manchmal eine Herausforderung, den Leo in einem 90-Grad-Winkel zu halten, einfach weil der Scan-Abstand zum Rumpf des Hubschraubers so gering war – an manchen Stellen nur 350 mm (13 Zoll).

Eine weitere Herausforderung war das Scannen der Rotorblätter des Hubschraubers. Um an sie heranzukommen, musste die mobile Hubarbeitsbühne der Luxemburger Luftrettung eingesetzt werden. Da die Blätter extrem lang, dünn und schwarz sind und keine Unterscheidungsmerkmale aufweisen, die das Tracking erleichtern, wurde es gelegentlich notwendig, sie an verschiedenen Stellen mit Klebeband zu markieren.

Jedes einzelne Detail mit Artec Leo einfangen

Als es darum ging, die Fenster der MD-902 zu erfassen, war es leider nicht erlaubt, Spray einzusetzen. Stattdessen durfte das Team die Fenster eines nahegelegenen Vorführhubschraubers, dessen Fenster eine ähnliche Form haben, besprühen und scannen. Anschließend wurden die Scans dieser Fenster mit etwas Mühe an die Fensterrahmen der MD-902 angepasst.

Nach Abschluss des Scannens wurden die Daten in den folgenden zwei Wochen in der Software Artec Studio verarbeitet. Hier wurden die Scans verfeinert, ausgerichtet und zu einem submillimetergenauen 3D-Modell, das für eine Reihe von Anwendungen geeignet ist, zusammengefügt.

Ausrichten von Artec Leo und Ray Scans in der Software Artec Studio

Einfach vom Scan zu CAD

Anstatt ein Fluggerät wie die MD-902 manuell zu vermessen, was sehr zeitaufwändig und fehleranfällig wäre, oder anhand alter Blaupausen, die möglicherweise nicht genau oder vollständig sind, zu arbeiten, ist es viel einfacher und schneller, eine Scan-to-CAD-Lösung zu verwenden, um ein 3D-Modell in ein präzises CAD-Modell zu verwandeln. Die Software Artec Studio bietet eine ganze Reihe von Werkzeugen, die diesen Prozess so effizient wie möglich gestalten.

Egal, ob es sich um eine MD-902, einen Learjet oder etwas noch Größeres oder Kleineres handelt – die mit Leo oder Ray erstellten 3D-Scans können in eine Vielzahl von CAD-Systemen exportiert werden, wo sie als verlässliche Referenzen für das Skizzieren und Extrudieren eines präzisen CAD-Modells verwendet werden.

Draufsicht auf das 3D-Modell der MD-902 aus Artec Leo und Ray Scans

Wenn es daran geht, eine neue Innenausstattung (unter Berücksichtigung von Scans des Cockpits und/oder der Kabine) oder eine neue Außenkonfiguration für ein Flugzeug zu entwerfen, zeigt das resultierende CAD-Modell genau an, wo sich jeder Befestigungspunkt, jedes Schraubenloch und jede Niete befindet und wie viel Platz für den Einbau der vorgesehenen Komponenten und Designelemente vorhanden ist.

Reverse Engineering für alte oder schwer zu findende Teile

Jede Organisation oder jedes Unternehmen, das eine jahrzehntealte Flugzeugflotte regelmäßig nutzt und wartet, benötigt für den Betrieb wichtige Teile und Komponenten, die häufig entweder eine Bestellzeit von Wochen oder Monaten haben oder überhaupt nicht mehr verfügbar sind.

In solchen Fällen können Flugzeugteile mit Hilfe einer CAD-Lösung und 3D-Scanning, etwa mit den Scannern Artec Leo oder Artec Space Spider, zurückentwickelt werden, bevor diese Komponenten bei Bedarf mittels additiver Fertigung, Gießen, CNC-Fräsen oder einer anderen Technologie hergestellt werden können.

Seitenansicht der Rotoreinheit des 3D-Modells der MD-902

Darüber hinaus können die aus diesen 3D-Scans erstellten CAD-Modelle in Synergie mit FEA (Finite-Elemente-Analyse) verwendet werden, um optimierte Teile für die Luft- und Raumfahrt, die im Handel nicht erhältlich sind, zu entwerfen und herzustellen.

Ob für die Nachrüstung oder für die Nachrüstung in der Zukunft – das 3D-Scannen für Reverse Engineering ist eine praktikable, bewährte Lösung für große und kleine Anforderungen in der Luft- und Raumfahrt. Die zugrundeliegenden Technologien entwickeln sich von Jahr zu Jahr rasant weiter und ermöglichen die Herstellung von noch leichteren, stärkeren und kostengünstigeren Teilen und eines Tages sogar von ganzen Flugzeugrümpfen und -flügeln.

3D-Flugzeuginspektion

Wenn Fluggeräte jeglicher Art, von Leichtflugzeugen bis hin zu Hubschraubern oder sogar Passagierflugzeugen, jedes Jahr Dutzende bis Hunderte von Einsätzen fliegen, müssen sie zwangsläufig mit äußeren Beschädigungen rechnen. Dies kann durch schwere Hagelstürme, harte Landungen, Vogelschlag und andere Kollisionen geschehen.

Eine schnelle und genaue Messung und Quantifizierung solcher Schäden ist von entscheidender Bedeutung, nicht nur für Versicherungszwecke, sondern auch, um den Umfang der Reparaturarbeiten zu verstehen und so wenig Ausfallzeiten wie möglich zu haben.

Nahaufnahme des NOTAR-Heckteils des 3D-Modells der MD-902

Wenn man einen Hubschrauber oder ein anderes Flugzeug 3D-scannt, wie es hier bei der MD-902 der Fall war, kann man die resultierenden 3D-Scans als Basismodell für die Durchführung von Oberflächeninspektionen in Artec Studio verwenden, indem man die Oberflächenabstandsfunktion der Software nutzt.

Jegliche Beschädigung oder Veränderung der äußeren Geometrie, selbst wenn sie deutlich unter einem Millimeter liegt, wird sofort in einer leicht lesbaren Wärmebildkarte sichtbar. Die Scans können auch in Geomagic Control X exportiert werden, um noch bessere Möglichkeiten für die Prüfung zu erhalten.

Scannen für aerodynamische CFD-Analysen

Das Testen und Verstehen der Aerodynamik eines Flugzeugs ist der erste Schritt zur Optimierung von Treibstoffverbrauch und Flugleistung. Heutzutage sind CFD-Prüfungen (Computational Fluid Dynamics) nicht nur für Hersteller von Luft- und Raumfahrzeugen, sondern auch für Privat- und Firmenkunden zugänglicher als je zuvor.

Was früher ein teurer und komplizierter Prozess war, ist heute einfach zu implementieren und bei Bedarf durchzuführen. Alles, was man dazu braucht, ist ein genaues 3D- oder CAD-Modell des betreffenden Hubschraubers oder eines anderen Fluggeräts, wie etwa das 3D-Modell der MD-902, das aus den Artec Leo-Scans erstellt wurde (siehe oben).

 

Nun ist es auch möglich, die aerodynamische Leistung jedes beliebigen Flugzeugs zusammen mit zahlreichen Konstruktionsvariablen und Rumpfkonfigurationen unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu simulieren und zu untersuchen.

Die Vorteile für Konstrukteure in der Luft- und Raumfahrt sind vielfältig: Virtuelle Prototypmodelle mit neuen Konfigurationen können innerhalb von Tagen zum Leben erweckt werden, anstatt dafür wie bisher Wochen oder Monate aufbringen zu müssen.

Und während der Flugtestphase des Prototyps können mit einem Artec Leo oder einem Artec Ray, je nach Größe des Flugzeugs, 3D-Inspektionen durchgeführt werden, um Metallermüdung, Aufprallschäden oder andere strukturelle Veränderungen zu erkennen.

Zusammenfassung

Obwohl das Scannen einen Tag dauern kann und die Verarbeitung großer Mengen von Scandaten zu einem 3D-Modell mehrere Tage oder länger in Anspruch nehmen kann, wird sich diese kleine Vorabinvestition von Zeit und Energie über die Lebensdauer eines Hubschraubers oder eines anderen Luftfahrzeugs hinweg in einer Vielzahl von Vorteilen niederschlagen – und das unabhängig davon, ob es sich um eine einzelne Einheit oder eine ganze Flotte handelt.

In der heutigen Welt sollte jeder darauf bedacht sein, schnellere, einfachere und kostengünstigere Ergebnisse mit höherer Toleranz zu erzielen. In der Luft- und Raumfahrt und in vielen anderen anspruchsvollen Bereichen gibt Ihnen das 3D-Scannen mit professionellen 3D-Scannern, wie Artec Leo und Ray, und passender Software die Möglichkeit, genau dieses Ziel zu erreichen.

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